孟加拉扇沉積作用與古氣候研究進展

李景瑞, 劉升發(fā), 吳建政, 馮秀麗, 孫興全, 曹 鵬, 王宇童, 石學(xué)法

?

孟加拉扇沉積作用與古氣候研究進展

李景瑞1, 2, 劉升發(fā)2, 3, 吳建政1, 馮秀麗1, 孫興全1, 曹 鵬2, 王宇童4, 石學(xué)法2, 3

(1. 中國海洋大學(xué) 海洋地球科學(xué)學(xué)院, 海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點實驗室, 山東 青島 266100; 2. 國家海洋局第一海洋研究所, 海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)國家海洋局重點實驗室, 山東 青島 266061; 3. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室, 海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實驗室, 山東 青島 266061; 4. 青島二中, 山東 青島 266200)

“氣候-構(gòu)造-沉積”耦合問題是全球變化研究的重要內(nèi)容, 孟加拉深海扇作為世界第一大濁積扇, 沉積物主要來自喜馬拉雅山及青藏高原的侵蝕物質(zhì), 且處于亞洲兩大季風(fēng)區(qū)之一的印度季風(fēng)區(qū), 是研究三者相互關(guān)系的天然實驗室。通過總結(jié)該區(qū)前人研究成果, 對孟加拉扇沉積作用與古氣候研究現(xiàn)狀進行了綜述, 提出了該區(qū)尚存爭議的主要科學(xué)問題并展望了今后的研究方向。研究認為, 除來自喜馬拉雅山和青藏高原的物質(zhì)外, 孟加拉扇還受到印度、東南亞大陸等源區(qū)的影響, 另外還有少量生物沉積和火山來源物質(zhì)等。孟加拉扇沉積物以細粒物質(zhì)為主, 扇體表面遍布濁流通道。濁流和等深流是孟加拉扇主要的沉積動力機制。目前對孟加拉扇扇體沉積模式及其在青藏高原隆升、孟加拉扇“源-匯”過程、“氣候-構(gòu)造-沉積”耦合研究中的作用仍存在不同見解, 尚需更加深入的研究。

孟加拉扇; 高原隆升; 印度季風(fēng); “源-匯”; 沉積記錄

孟加拉扇, 1953年首次由Dietz發(fā)現(xiàn), 1971年由Curray和Moore組織進行了第一次系統(tǒng)調(diào)查和研究, 命名為孟加拉扇并一直沿用至今[1]。孟加拉扇是世界上最大的海底扇, 長3 000 km多, 寬1 000 km左右, 最大厚度達16.5 km[1-3]。孟加拉扇的形成與印度和亞洲板塊的碰撞有關(guān), 發(fā)育自早始新世時期, 主要是恒河和布拉馬普特拉河(流經(jīng)中國境內(nèi)部分稱為雅魯藏布江, 以下簡稱“布河”)輸運的喜馬拉雅山及青藏高原物質(zhì)經(jīng)由濁流作用搬運沉積而成[4]。對于濁流活動的強度隨時間的變化、水道的分布和遷移、物質(zhì)來源組成等科學(xué)問題前人都已做過相關(guān)研究[5-9], 如Emmel和Curray[9]認為自最后一次海平面上升以來主要水道已被遺棄; Weber等[5]指出濁流沉積在海平面上升時期及高水位期仍然活躍, 生長發(fā)育的峰值在新仙女木期的末期; Tripathy等[6]認為其主要源區(qū)為喜馬拉雅山, 同時還有印度大陸等次要物源區(qū)等等。喜馬拉雅山及青藏高原物質(zhì)侵蝕并經(jīng)河流輸運至孟加拉扇沉積是一個典型的“源-匯”過程, 高原隆升的不同階段和不同強度導(dǎo)致侵蝕物質(zhì)通量的差異必然會在孟加拉扇沉積中得到記錄, 因而扇體沉積包含著豐富的高原隆升信息, 而該過程又不可避免地受到氣候的影響。此外, 海洋沉積物還記錄了海洋物理化學(xué)過程以及全球變化信息[10]。然而, 目前關(guān)于青藏高原隆起的時代、形式、高度及對亞洲季風(fēng)乃至全球古氣候演化的影響尚存分歧, 這也導(dǎo)致近年來“氣候-構(gòu)造-沉積”三者之間的耦合關(guān)系成為孟加拉灣研究的熱點問題。本文比較系統(tǒng)地總結(jié)了孟加拉扇沉積特征、濁流及等深流沉積、扇體沉積模式、“源-匯”過程及扇體沉積對構(gòu)造和氣候變化尤其是季風(fēng)變化的響應(yīng)等方面的研究進展, 并評述其現(xiàn)存問題和未來發(fā)展方向。

1 孟加拉扇沉積環(huán)境與特征

1.1 地形地貌與構(gòu)造地質(zhì)演化

孟加拉灣位于印度洋的東北部(圖1), 周邊被斯里蘭卡、印度、孟加拉國、緬甸、安達曼海、巽他弧和蘇門答臘島圍繞。孟加拉灣陸架范圍較小, 北部和東北部陸架相對西部陸架為寬。向海一側(cè)陸架平均水深183 m, 陸坡發(fā)育有大型海底峽谷——“無底大峽谷”, 該峽谷頭部深刻入陸架, 頭部水深約為38 m, 峽谷向南持續(xù)約160 km, 作為一個長而直的水道到達水深1 400 m處, 平均梯度8.2 m/km, 由此輸運沉積物至陸坡下形成了世界第一大深海扇—孟加拉扇, 它基本覆蓋了整個孟加拉灣20°N~7°S之間的1 400~ 5 000 m的水深范圍[1, 11]。孟加拉扇發(fā)育自早始新世時期, 與印度和亞洲碰撞后隆升而形成的喜馬拉雅山和青藏高原有關(guān)[4]。孟加拉灣地處印度板塊東緣, 其東為印度板塊向歐亞板塊俯沖的碰撞消減帶。東北印度洋的演化可分為4個階段[12-13]: (1)127~85 Ma: 印度開始與澳大利亞和南極洲分離, 分離方向幾乎與NE-SW延伸的印度大陸邊緣垂直, 孟加拉灣新海底開始形成; (2)90~53 Ma: 板塊邊緣重組, 分離方向轉(zhuǎn)為近N-S方向, 印度大陸迅速向北移動, 于早始新世與歐亞板塊碰撞; (3)53~32 Ma: N-S向擴張結(jié)束, 澳大利亞和南極洲開始分離, 印度洋東南擴張脊形成, 東印度洋沿此在NE-SW方向擴張, 印度、南極洲、澳大利亞進一步分離; (4)32 Ma以來: 東印度洋沿東南印度洋底擴張脊增生, 并于巽他俯沖帶消減形成現(xiàn)今格局。盡管印度和亞洲大陸的軟碰撞時期(~59 Ma)可以視為孟加拉扇的初始發(fā)育點, 但主要的沉積物供應(yīng)還是始于中中新世時期的硬碰撞(~15 Ma)之后, 孟加拉扇向南部持續(xù)進積[3]。

A. 青藏高原及喜馬拉雅山; B. 印度大陸; C. 斯里蘭卡; D. 東南亞; E. 印尼(多巴湖火山); F. 中印度盆地

A. the Tibetan plateau and the Himalayas; B. Indian continent; C. Sri Lanka; D. Southeast Asia; E. Indonesia (Toba volcanic); F. Central Indian Basin

1.2 輸運系統(tǒng)與動力特征

孟加拉灣主要入海河流如圖1所示。恒河和布河是本區(qū)最主要的兩條河流, 具有本區(qū)最高的沉積物供應(yīng)速率[14], 其他較大的河流包括克里希納河、戈達瓦里河、默哈納迪河、伊洛瓦底江等(圖1, 表1)。孟加拉灣表層環(huán)流受印度季風(fēng)控制, 呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化: 冬季盛行東北風(fēng), 表層環(huán)流呈逆時針方向; 夏季盛行西南風(fēng), 表層環(huán)流呈順時針方向(圖2)。邱云等[15]總結(jié)了孟加拉灣上層環(huán)流研究的主要成果并指出, 孟加拉灣上層環(huán)流與季風(fēng)轉(zhuǎn)換并不完全同步, 在西南季風(fēng)期間, 南、北海區(qū)各有一氣旋式環(huán)流; 在東北季風(fēng)期間, 氣旋式環(huán)流減弱北移, 南部則為一反氣旋式環(huán)流控制; 在秋季和春季過渡期間, 分別形成海灣尺度的氣旋式環(huán)流和反氣旋式環(huán)流。東印度沿岸流的季節(jié)變化與季風(fēng)轉(zhuǎn)換也不同步, 局地風(fēng)、內(nèi)部Ekman抽吸、遠地沿岸風(fēng)及赤道遠地作用的影響對沿岸流周年變化有重要作用。由于受觀測所限, 目前對孟加拉灣上層季節(jié)環(huán)流的認識還不完全, 尤其缺乏對其年際、年代際變化的相關(guān)研究成果, 因此尚需更為系統(tǒng)的觀測分析和深入的理論研究。在深海動力方面, 方念喬等[16-17]從沉積物角度指出, 東北印度洋主要存在3種深水動力沉積機制: 由重力滑塌作用誘發(fā)的濁積活動、由南大洋洋流體系引導(dǎo)并控制的等深積活動以及由生物殼體堆積、霧濁層、風(fēng)生堆積和火山灰堆積聯(lián)合作用下的遠洋/半遠洋沉積活動。濁流活動主要位于陸坡地帶, 等深流活動受90°E海嶺所阻, 主要位于其西側(cè), 并折返南下[16-17]。對于大洋深層水對本區(qū)的影響, Ahmad等[18]通過對浮游和底棲有孔蟲O和C的研究證實其受到來自北大西洋深層水和南大洋深層水的影響, 而現(xiàn)代東北印度洋13C 值反映了北大西洋深層水和南大洋深層水之間的平衡[18-20]。